Nguyên lí kỹ thuật điện tử

Trần Quang Vinh (Chủ biên) vμ Chử văn an NGUYêN Lí Kỹ thuật điện tử nhμ xuất bản giáo dục - 2005 0145/1749 02GD 6T7 −− M∙ số : 7B594M2 Lời nói đầu Tài liệu "Nguyên lý kỹ thuật điện tử" trình bày về nguyên tắc hoạt động cơ bản của các linh kiện và mạch điện tử thông dụng. Ngày nay kỹ thuật điện tử đ−ợc áp dụng hết sức rộng r∙i trong nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ và đời sống. Ta có thể thấy sự hiện diện của các mạch điện tử ngay trong các thiết bị tại gia đình, công sở nh− từ chiếc máy thu vô tuyến truyền hình tới hệ thống máy vi tính hiện đại. Kiến thức cơ bản về điện tử là hành trang không thể thiếu đ−ợc cho các sinh viên chuyên ngành mà còn có thể là công cụ tốt cho cán bộ và sinh viên các ngành khác liên quan ham muốn tìm hiểu kỹ thuật tiên tiến. Do đó tài liệu đ∙ đ−ợc cố gắng biên soạn sao cho đảm bảo đủ những nội dung cơ bản nh−ng vẫn cập nhật đ−ợc những vấn đề hiện đại trong một khuôn khổ hạn chế. Sách đ∙ đ−ợc dùng làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên bắt đầu học về kỹ thuật điện tử trong các ngành Điện tử - Viễn thông, Công nghệ thông tin, Vật lý kỹ thuật, ... thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội trong những năm gần đây. Do vậy những kiến thức tiên quyết đòi hỏi ng−ời đọc không nhiều ngoài một số hiểu biết liên quan đến các cơ sở toán học và vật lý. Sách đ−ợc chia thành 9 ch−ơng. Ba ch−ơng đầu tóm l−ợc những khái niệm cơ bản liên quan đến tín hiệu, mạch điện và hệ thống điện tử. Ch−ơng 4 trình bày về các dụng cụ bán dẫn - là những linh kiện chủ yếu của kỹ thuật điện tử hiện đại - cũng nh− các mạch điện tử khuếch đại cơ bản nhất sử dụng các linh kiện này. Ch−ơng 5 trình bày về các mạch phát sóng, một thành phần rất hay gặp trong các hệ thống điện tử. Ch−ơng 6 và ch−ơng 7 đi sâu vào tìm hiểu kỹ thuật điện tử phi tuyến. Đó là các mạch điều chế, giải điều chế, trộn tần, ... dùng nhiều trong kỹ thuật thông tin, phát thanh, truyền hình, kỹ thuật dẫn đ−ờng, v.v... Ch−ơng 8 đề cập tới một lĩnh vực giáp ranh giữa kỹ điện tử t−ơng tự (analog) và điện tử số (digital), đó là các mạch biến đổi D/A và A/D. Cuối cùng, ch−ơng 9 cung cấp cho ng−ời đọc kiến thức về một số mạch nguồn nuôi hệ thống điện tử điển hình. Cuốn sách chắc không tránh khỏi các thiếu sót, vì vậy chúng tôi mong nhận đ−ợc ý kiến đóng góp của bạn đọc. Các ý kiến xin gửi về: Bộ môn Điện tử và Kĩ thuật Máy tính, Khoa Điện tử - Viễn thông, Tr−ờng Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà nội, 144 Đ−ờng Xuân Thuỷ, Quận Cầu giấy, Hà nội. hoặc Công ty cổ phần sách Đại học - Dạy nghề, trực thuộc Nhà Xuất bản Giáo dục, 25 Hàn Thuyên - Hà Nội. Các tác giả 1 Ch−ơng 1 khái niệm chung về hệ thống điện tử 1.1. Tín hiệu, mạch điện vμ hệ thống điện tử Mục tiêu của giáo trình này là nghiên cứu về nguyên lý kỹ thuật mạch điện tử. Cụ thể là các mạch điện tử t−ơng tự. Các mạch này đ−ợc thiết kế xây dựng trên cơ sở kết nối các linh kiện điện tử nh− điện trở, tụ điện, cuộn cảm, các dụng cụ bán dẫn, v.v... với nhau. Hơn nữa, từ các mạch điện tử cơ bản, ng−ời ta có thể tổ hợp chúng lại để tạo nên các hệ thống điện tử đ−ợc dùng cho một hoặc nhiều mục đích nào đó. Lan truyền trong mạch là các tín hiệu điện, đó là biểu hiện vật lý của tin tức. Trong các mạch điện tử, dạng vật lý của tín hiệu là dòng điện, điện áp, v.v... và tổng quát là các sóng điện từ. Vì những lý do vừa đ−ợc nêu, tín hiệu và mạch điện là hai khâu có mối quan hệ chặt chẽ và bổ sung cho nhau cần đ−ợc chú trọng trong việc nghiên cứu thiết kế xây dựng nên các hệ thống điện tử. Các hệ thống này là không thể thiếu trong những ứng dụng thuộc công nghệ thông tin và truyền thông hiện đại. Có thể mô tả đơn giản một hệ thống đó nh− hình 1.1 sau. Hình 1.1. Các thành phần trong một hệ thống điện tử. Tin tức nh− tiếng nói, hình ảnh, số liệu, v.v... từ nguồn tin qua các cảm biến đ−ợc chuyển đổi thành các tín hiệu điện t−ơng ứng. Thí dụ khi một cảm biến nh− microphone đ−ợc đặt tr−ớc một ng−ời đang nói, hai đầu lối ra của nó sẽ xuất hiện một điện áp biến thiên có biên độ tỷ lệ với áp suất âm thanh. Tín hiệu này đ−ợc đ−a tới lối vào của mạch điện tử để gia công, xử lý. Trong tr−ờng hợp này là một mạch khuếch đại, có tác dụng tăng biên độ của tín hiệu ở lối vào của mạch (là lối ra của Nguồn tin Cảm biến Mạch điện tử Mạch điện tử Cảm biến Tin đ−ợc nhận Nhiễu Kênh thông tin 2 microphone) từ cỡ mili-vôn lên hàng vôn hoặc vài chục vôn đủ để kích một bộ phát công suất ra loa. Trong vài tr−ờng hợp khác, mạch điện lại có chức năng nh− điều chế tín hiệu, đổi tần, m∙ hoá, v.v... Nếu cần truyền đi xa, tín hiệu này đ−ợc gửi qua một hoặc vài kênh thông tin. Các kênh này là các môi tr−ờng truyền sóng điện từ, thí dụ nh− cáp đồng trục, cáp quang hoặc không gian xung quanh (trong tr−ờng hợp thông tin vô tuyến). ở đầu kia của kênh, một mạch điện thu có nhiệm vụ thu nhận tín hiệu này rồi gia công, xử lý nó cho những mục đích nào đó, thí dụ nh− khuếch đại, tái tạo lại dạng gốc của tín hiệu, giải điều chế, giải m∙, v.v... Trong cả hệ thống nh− vậy, ngoài tín hiệu nh− ta vừa nói, đ−ợc quy −ớc gọi là thành phần tín hiệu có ích, hệ thống luôn luôn chịu tác động của rất nhiều nguyên nhân khác nhau làm ảnh h−ởng tới tín hiệu. Thí dụ nh− thăng giáng của các điện tử nhiệt gây nên một dòng điện có biên độ và pha thay đổi ngẫu nhiên gọi là ồn nhiệt trong lối vào của các bộ khuếch đại điện tử có mức tín hiệu rất thấp, các sóng điện từ của dòng điện thành phố 50 Hz, các xung điện phát ra từ các thiết bị điện trong phòng thâm nhập vào các hệ điện tử, v.v... Các tác động này gọi chung là nhiễu và đ−ợc coi nh− một thành phần tín hiệu vô ích. Nhiễu đ−ợc cộng hoặc nhân với thành phần tín hiệu có ích gây nên sự méo dạng tín hiệu hoặc làm tín hiệu bị nhận chìm trong nó. Trong nhiều tr−ờng hợp, điều này làm cho mạch điện thu không thể phát hiện ra đ−ợc tín hiệu có ích nếu không có sự gia công xử lý thích hợp. Vì vậy việc chống lại các can nhiễu hay làm giảm ảnh h−ởng của chúng là một trong những nhiệm vụ quan trọng của thiết kế mạch điện tử. 1.2. Các đại l−ợng cơ bản của tín hiệu Các đại l−ợng điện cơ bản trong một mạch điện tử bao gồm: điện tích, điện thế, hiệu điện thế, dòng điện, trở kháng và công suất. Các đại l−ợng này đ∙ đ−ợc khảo sát rất kỹ trong các giáo trình điện từ học. ở đây chỉ nhắc lại một cách khái quát các định nghĩa và áp dụng chúng trong các mạch điện tử. Điện tích là một thuộc tính của vật chất. Các loại vật liệu (bao hàm cả vật dẫn điện hoặc cách điện) đều đ−ợc tạo thành từ các nguyên tử trong đó có hạt nhân và các điện tử. Tính chất dẫn điện của vật liệu 3 phụ thuộc vào các điện tử liên kết yếu với nguyên tử. Mỗi điện tử mang một điện tích bằng 1,6ì10-19 Coulomb, ký hiệu là C. Coulomb là một đơn vị điện tích đ−ợc chuẩn hoá và nh− vậy nó t−ơng đ−ơng với tổng điện tích của cỡ 6,25ì1018 điện tử. Các điện tích trong tự nhiên có giá trị bằng số nguyên lần điện tích của một điện tử. Điện tích của điện tử đ−ợc quy −ớc có dấu âm (-), do vậy điện tích của hạt nhân nguyên tử có dấu d−ơng (+). Sự tồn tại của các điện tích có thể đ−ợc phát hiện qua sự t−ơng tác lực giữa chúng. Lực t−ơng tác đó đ−ợc xác định nh− sau: F = Fe (q1, q2 , R) + Fm (q1, v1, q2, v2, R) Trong đó Fe là lực tĩnh điện phụ thuộc vào vị trí của các điện tích, Fm là lực từ phụ thuộc vào vị trí và chuyển động của các điện tích; q1 và q2 là giá trị t−ơng ứng của hai điện tích, v1 và v2 là vận tốc chuyển động của 2 điện tích và R là khoảng cách giữa chúng. Năng l−ợng trao đổi giữa các điện tích sẽ sinh ra lực điện. Lực này gây nên chuyển động của các điện tích và sinh ra công. Điện thế Vx tại một điểm x trong không gian là công phải thực hiện để đ−a một đơn vị điện tích từ vô cùng đến điểm đó. Nếu một điểm y khác có điện thế là Vy thì hiệu số điện thế giữa 2 điểm x và y gọi là điện áp giữa hai điểm đó, có thể đ−ợc ký hiệu là Uxy. Điện áp này đ−ợc quy −ớc là d−ơng nếu điểm x có điện thế d−ơng so với điểm y và ng−ợc lại. Tức là: Uxy = − Uyx Theo định nghĩa trên, nếu gọi A là công do lực điện sinh ra để chuyển l−ợng điện tích Q đi từ điểm x đến y thì hiệu thế U bằng: Q A Uxy = Trong sơ đồ mạch điện, th−ờng bỏ qua các chỉ số kép và th−ờng viết điện áp so với một điểm đ−ợc chọn làm điểm gốc nh− thí dụ với điểm z sau: 4 Uxz = 5V , Uyz = 7V → viết: Ux = 5V và Uy = 7V vì coi điện thế ở điểm gốc z là 0 V. Khi đó nói điện áp ở một điểm nào đó có nghĩa là điện thế của điểm đó so với gốc chung. Dòng điện là l−ợng điện tích chuyển dời qua dây dẫn hay qua các phần tử của mạch điện trong một đơn vị thời gian (dòng điện dẫn) hay có khi chỉ là sự biến thiên của điện tr−ờng theo thời gian (dòng điện dịch). Chiều của dòng điện trong mạch đ−ợc quy −ớc chảy từ nơi có điện thế cao (+) tới nơi có điện thế thấp (−). Do định nghĩa nh− vậy dòng điện I trên một đoạn mạch có l−ợng điện tích Q chuyển qua trong thời gian t sẽ là: t QI = Công suất là công mà dòng điện sản ra trên đoạn mạch trong một đơn vị thời gian. Do đó công suất P đ−ợc sinh ra bởi dòng điện I khi chảy giữa 2 điểm của đoạn mạch có điện áp đặt vào U sẽ là: UI t Q Q A d P =ì=ì== gianthời tích diện tích iện công gianthời công Trong thực tế còn tính đến công suất trung bình trong một khoảng thời gian T đ∙ cho. Giá trị này gọi là công suất hiệu dụng và bằng: ∫= Teff dt)t(PTP 0 1 1.3. Các phần tử thực vμ phần tử lý t−ởng của mạch điện Phân tích quá trình xảy ra trong mạch điện là phải tìm đ−ợc các giá trị và dạng của dòng điện hoặc điện áp trên các phần tử, linh kiện, đoạn mạch, v.v... trong một tr−ờng hợp nào đó. Các phần tử trong mạch điện thực tế là các phần tử thực. Chúng bao gồm cả các thông số chính và các thông số ký sinh. Để rõ khái niệm này ta h∙y lấy một thí dụ về một điện trở đ−ợc chế tạo bằng cách quấn dây có điện trở suất cao (nh− constantan) lên một ống sứ cách điện nh− hình vẽ 1.2.a. Vì đoạn dây constantan đ−ợc cuốn trên lõi sứ theo dạng lò xo ruột gà đ∙ tạo nên một cuộn điện cảm có giá trị điện cảm tuy rất nhỏ Lks, có khi chỉ cỡ 5 phần m−ời μH (10-7 H), nh−ng vẫn khác không. Chỉ số ks viết tắt từ chữ "ký sinh" có nghĩa là phần tử tạp tán, nhỏ so với giá trị bình th−ờng. Mặt khác, các vòng dây đ−ợc cuốn sát nhau nh−ng cách điện với nhau đ∙ tạo nên các bản tụ ký sinh mà tổng điện dung của chúng tuy rất nhỏ, chỉ cỡ 1pF (10-12 F), nh−ng vẫn khác không. Nh− vậy, một cách chính xác sơ đồ thực của cái điện trở không chỉ đơn thuần có điện trở R của đoạn dây constantan nh− trong sơ đồ lý t−ởng ở hình 1.2.c mà còn phải thêm vào một cuộn cảm Lks mắc nối tiếp với nó và một tụ điện Cks mắc song song với cả hai nh− hình 1.2.b. (a) (b) (c) Hình 1.2. Phần tử thực và lý t−ởng. Nh− về sau sẽ thấy, giá trị trở kháng của các phần tử ký sinh này phụ thuộc vào tần số. Do đó khi phân tích mạch điện chứa các phần tử hoạt động thực tế ở một dải tần số không quá đặc biệt thì th−ờng ng−ời ta đơn giản hoá, coi các phần tử của mạch là lý t−ởng, tức là giá trị của các thông số ký sinh bằng không. Tức là phải đảm bảo rằng giá trị của các thông số ký sinh trong dải tần số tín hiệu hoạt động đó là đủ nhỏ để có thể bỏ qua so với thông số chính, sao cho kết quả phân tích là chấp nhận đ−ợc. Thí dụ với cái điện trở thông th−ờng đ−ợc chế tạo nh− hình 1.2.a có giá trị điện trở cỡ 1.000 Ω thì có thể thiết kế cho sử dụng trong các mạch điện khuếch đại trong dải tần số âm thanh vài chục kHz trở xuống mà không cần quan tâm tới các giá trị điện cảm và điện dung ký sinh của nó. Trong khi đó nếu phải thiết kế một mạch điện khác hoạt động ở dải tần số rất cao cỡ vài chục GHz nh− trong kỹ thuật ra-đa thì không thể không tính đến các thông số ký sinh này khi thiết kế mạch nếu vẫn muốn dùng đến nó mà không muốn thay bằng các điện trở đ−ợc chế tạo đặc biệt có các thông số ký sinh nhỏ hơn nữa. A A B B R Lks Cks → R ống sứ cách điện Đoạn dây constantan có điện trở bằng R ≈ 6 Do đ−ợc khảo sát trong dải tần số không quá cao, những linh kiện đ−ợc đề cập tới trong phạm vi giáo trình này thuộc loại các phần tử đ−ợc coi là lý t−ởng. 1.4. Mạch điện, hệ thống điện tử vμ các loại sơ đồ của nó Để thực hiện một mục đích nào đó, nhà thiết kế phải tập hợp một số linh kiện điện tử với nhau và liên kết chúng lại về ph−ơng diện điện để tạo thành các mạch điện tử. Các linh kiện này có thể là những linh kiện cơ bản nh− điện trở, tụ điện, cuộn cảm, các nguồn thế hay nguồn dòng. Chúng cũng có thể là những cảm biến hay các phần tử tích cực phức tạp hơn nh− transistor hay vi mạch. Nối các linh kiện với nhau có nghĩa là liên kết các lối vào hay lối ra của chúng bằng các dây dẫn mà trong điều kiện lý t−ởng coi nh− có điện trở dây bằng không. Biểu hiện bằng bản vẽ của các mạch hoặc hệ thống điện tử là các sơ đồ mạch. Cách trình bày nh− hình 1.1 gọi là sơ đồ khối của hệ thống điện tử hay trong tr−ờng hợp khác là của mạch điện tử. Hình 1.3.a trình bày thí dụ về một sơ đồ nguyên lý của một mạch điện bao gồm các linh kiện nh− transistor, điện trở, tụ điện và các đầu nối lối vào (input), lối ra (output). Hình 1.3.b là sự thể hiện trên thực tế của mạch này, đó là một bản mạch gồm các phần dẫn điện bằng đồng đ−ợc phủ trên 2 mặt một miếng phíp cách điện, gọi là bản mạch lắp ráp. Trong tr−ờng hợp này bản mạch còn gồm các lỗ để cắm chân các linh kiện với công nghệ xuyên lỗ. Hiện nay còn có công nghệ lắp ráp các linh kiện lên bản mạch gọi là công nghệ gắn bề mặt, trong đó các chân linh kiện đ−ợc hàn ngay lên một bề măt chứa nó (bằng thiếc hàn hay chất keo dẫn điện) chứ không cần cắm xuyên qua lỗ và hàn chân ở bề mặt kia nh− cũ. Với công nghệ gắn bề mặt hiện nay ng−ời ta có thể thiết kế chế tạo các bản mạch in có nhiều lớp, mỗi lớp chứa các đ−ờng dây nối thậm chí cả linh kiện đ−ợc tiểu hình hoá trên nó. Công nghệ này cho phép giảm nhỏ kích th−ớc bản mạch in đi rất nhiều. Bản mạch lắp ráp đ−ợc thực hiện dựa trên bản vẽ của nó đ−ợc gọi là sơ đồ lắp ráp. Hình 1.3.c là ảnh chụp bản mạch lắp ráp đ∙ đ−ợc cắm các linh kiện trên đó. Hình 1.4 là thí dụ đơn giản so sánh 2 công nghệ gắn các linh kiện điện tử là: công nghệ xuyên lỗ và công nghệ gắn bề mặt. 7 Hình 1.3. a) Sơ đồ nguyên lý mạch điện. b) Bản mạch lắp ráp. c) Hình ảnh bản mạch có linh kiện đ−ợc lắp ráp trên đó. Ch−ơng 2 tín hiệu vμ các ph−ơng pháp phân tích (a) (b) (c) Chân linh kiện Phíp cách điện Linh kiện Lớp dây dẫn đồng Thiếc hàn Lỗ xuyên Lớp cách điện 1 Linh kiện Keo dẫn điện Linh kiện Lớp cách điện 2 Hình 1.4. Hai công nghệ lắp ráp linh kiện lên bản mạch in: a) Công nghệ xuyên lỗ, b) Công nghệ gắn bề mặt. (a) (b) Keo dẫn điện